掺杂锰氮化物宽温区负热膨胀行为的机理研究

近年来新发现的掺杂锰氮化物负热膨胀材料，因其负热膨胀系数大、金属性强、导电导热性好，而具有广阔的应用前景。然而，这类材料的负热膨胀温区宽度对材料成分非常敏感，负热膨胀温区增宽的机理尚未被充分系统地认识。本项目拟以具有宽温区负热膨胀性能的掺杂锰氮化物，特别是碳族元素掺杂锰氮化物为研究对象，分析掺杂元素和元素含量对负热膨胀温区宽度的影响；采用SQUID磁性测试系统研究材料的磁性，分析材料磁性与负热膨胀性能的关系；采用XRD、X-射线吸收精细结构(XAFS)、高分辨透射电镜等设备表征材料微观结构，分析材料的微观结构与负热膨胀性能的关系。阐明材料成分- - -磁性- - -微观结构- - -负热膨胀温区宽度的关系，以对掺杂锰氮化物宽温区负热膨胀行为的机理有深刻认识。

掺杂锰氮化物负热膨胀材料，因其负热膨胀系数大、金属性强、导电导热性好，而具有广阔的应用前景。然而，这类材料的负热膨胀温区宽度对材料成分非常敏感，负热膨胀温区增宽的机理尚未被充分系统地认识。本项目中，以Mn3CuN和 Mn3ZnN为基体材料，制备了掺杂锰氮化物，主要包括碳族元素掺杂锰氮化物，研究了掺杂元素和元素含量对负热膨胀温区宽度的影响规律，发现了C元素的加入，基本不改变负热膨胀温区宽度; Si元素加入后，随着Si元素的增加，负热膨胀温区宽度增加。Sn元素加入后，随着Sn元素的增加，负热膨胀温区宽度减小。Pb元素加入后，随着Pb元素的增加，负热膨胀温区宽度变得很窄，使负热膨胀性能成了“体积突变”。选择关键样品，进行了磁性和比热的研究，发现了掺杂锰氮化物磁性转化过程中的铁磁中间相的存在有利于负热膨胀温区的拓宽。同时，进行了材料微观结构的分析，证实了掺杂锰氮化物负热膨材料在发生负热膨胀时不会产生晶体结构相变，发现掺杂锰氮化物负热膨材料内存在纳米级的局域不均匀性，与磁性分析相结合，推断纳米级的局域不均匀是造成掺杂锰氮化物宽负热膨胀温区行为的内在原因。本项目的研究深该认识了掺杂锰氮化物宽温区负热膨胀行为的机理，为进一步研究开发出负热膨胀温区更宽的负热膨胀材料提供理论依据。